BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Pembuatan lapis tipis semikonduktor merupakan salah satu cara untuk memudahkan aplikasi semikonduktor baik sebagai solar sel maupun fotokatalis dalam degradasi senyawa kimia berbahaya. Pembuatan lapis tipis semikonduktor pada suatu substrat merupakan inovasi untuk mendapatkan semikonduktor fotokatalis yang mudah ditangani (handable) dalam aplikasi fotokatalisis (dalam arti tidak mengalami kesulitan pemisahan semikonduktor dari larutan yang didegradasi) sehingga memungkinkan penggunaan lebih dari satu kali karena pencucian mudah dilakukan. Sebagian besar peneliti semikonduktor fotokatalis membuat lapisan tipis semikonduktor pada plat kaca Indium tin oksida (Indium tin oxide glass plate) dengan menggunakan metode seperti teknik spin coating (Nasr,et al.,1998), dan magnetron sputtering (Liu, et al.). Metode penempelan lapis tipis dengan memanfaatkan sifat aktif antarmuka surfaktan merupakan inovasi metode penempelan lapis tipis yang relatif sederhana dan mudah dibandingkan metode pembuatan lapis tipis yang sudah ada. Yang, et al (1997) berhasil menumbuhkan lapisan mesopori silika dari TEOS (Tetraorthosilicate) yang dihidrolisis dengan asam klorida (HCl) pada permukaan grafit yang difasilitasi oleh adanya lapisan monolayer surfaktan CTACl (Cetyltrimethylammonium Chloride) pada antarmuka grafit larutan sintesis. Sintesis dilakukan dengan metode deposisi secara kimia pada suhu 80 o C selama tujuh hari menggunakan konsentrasi surfaktan pada range 4 18 mm. Sementara Volkmer, et al (2003) mensintesis titania-silika dari prekursor titania tetra-terbutil orthotitanat (TBOT) dan prekursor silika tetrametoksisilan (TMOS) dan tetraetoksisilan (TEOS) pada antarmuka hidrokarbon/air dengan fasa hidrokarbon klorosikloheksana dan fasa air mengandung surfaktan cetyltrimethylammonium bromida (CTABr). Pembuatan lapis tipis dari larutan yang dapat dilakukan pada tekanan atmosfer dan tidak terlalu jauh dari temperatur kamar sangat menguntungkan dari 1

2 2 segi ekonomi dan ekologi dibandingkan dengan teknik konvensional yang memerlukan energi dari luar. Deposisi lapis tipis semikonduktor secara kimia (chemical bath deposition) telah banyak dipelajari para peneliti dengan aplikasi terutama untuk solar sel, dimana aplikasi ini memerlukan poses deposisi pada area yang luas dan biaya rendah (Yamaguchi, et al., 2003) yang antara lain telah dilakukan oleh Lincot, et al (1999) untuk produksi lapis tipis CdS. Hirashima, et al (2001), telah berhasil membuat gel TiO 2 mesopori yang didukung oleh adanya surfaktan CTACl (cetyltrimethylammonium chloride) atau BTACl (benzyltrimethylammonium chloride). Sementara pembuatan lapis tipis TiO 2 dilakukan oleh Tjahjanto dan Gunlazuardi pada tahun TiO 2 merupakan bahan semikonduktor yang sudah dikenal luas memiliki sifat optik yang baik dengan indeks refraksi tinggi. Pada tingkat tertentu penambahan senyawa organik maupun senyawa kompleks organologam dapat mempengaruhi sifat elektronik bahan karena perpindahan elektron yang dipermudah atau dipersulit. Rahmawati dan Masykur (2003) melakukan penempelan TiO 2 teknis pada permukaan grafit dan terbukti mampu bertindak sebagai fotokatalis pada degradasi warna larutan tetraetil amonium iodida dan I 2 dalam asetonitril pada pemberian sinar dengan panjang gelombang pada range UV Visibel. Aktivitas fotokatalitik dari suatu semikonduktor dapat diketahui dari beberapa faktor yang terukur meliputi stabilitas semikonduktor, efisiensi proses fotokatalitik, selektifitas produk dan respon kisaran panjang gelombang. Misalnya, semikonduktor dengan energi gap kecil seperti CdS dapat mengalami eksitasi di daerah sinar tampak, tetapi bersifat tidak stabil dan terdegradasi oleh cahaya dalam waktu tertentu (Linsebigler, 1995). Semikonduktor TiO 2 memiliki energi gap yang lebar (3,2 ev; λ g = 387 nm) yang hanya aktif dalam daerah cahaya UV, dimana cahaya tersebut hanya 10% dari seluruh cahaya matahari. Keterbatasan yang dimiliki oleh TiO 2 ini dapat diperbaiki dengan cara memodifikasinya. Modifikasi semikonduktor merupakan upaya peningkatan efektifitas fotokatalitik semikonduktor dengan tujuan memperlebar kisaran respon sinar dalam daerah UV Visibel sehingga memungkinkan penggunaan energi matahari (sinar visibel) sebagai sumber foton untuk fotokatalisis, pencegahan

3 3 rekombinasi electron hole sehingga meningkatkan efisiensi konversi foton ke arus listrik (%IPCE : Induce Photon to Current Efficiency) dan peningkatan stabilitas fotokimia. Salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan mendopingkan senyawa kompleks yang dapat menginjeksikan elektron dari kompleks terhadap material semikonduktor melalui proses MLCT (Metal to Ligan Charge Transfer) atau MMLL CT (Mixed Metal ligan to Ligan Charge Transfer). Mayoritas peneliti mula mula memfokuskan pada kompleks logam Ru(II)-polipiridin karena absorpsi transfer muatan pada daerah visibel yang intensitasnya sangat tinggi dan memiliki reaktivitas redoks yang baik. Studi MLCT akhirnya meluas untuk kompleks kompleks dari Os(II), Cu(I), Re(I), Pt(II), Fe(II), dan Ir(III) (Whittle, 2001 dan Islam, 2001). Mn(II) dengan kecenderungan oksidasi yang sangat tinggi juga dikenal mempunyai sifat MLCT yang baik. Mn(II) mempunyai kesamaan mendasar dengan sifat yang dimiliki oleh logam yang telah diteliti yaitu Os(II), Cu(I), Re(I), Pt(II), Fe(II), dan Ir(III). Persamaannya adalah logam tersebut memiliki tingkat oksidasi rendah dan memiliki elektronegativitas relatif rendah, sehingga kompleks ion Mn(II) dengan ligan ligan polipiridin maupun turunan piridin kemungkinan besar dapat menghasilkan sifat elektrokimia dan fotoeletrokimia, serta intensitas MLCT pada daerah visibel yang baik. B. Perumusan Masalah 1. Identifikasi Masalah Beberapa semikonduktor oksida mempunyai energi gap yang berada pada daerah energi cahaya UV/Vis antara lain TiO 2 (E g = 3,2 ev), SrTiO 3 (E g = 3,1 ev), ZnO (E g = 3,2 ev), dan Fe 2 O 3 (E g = 3,1 ev) (Hoffman, et al., 1995). Berdasarkan data energi gap yang dimiliki oleh masing masing material ada beberapa kemungkinan semikonduktor yang bisa digunakan dalam penelitian ini. Semikonduktor bersubstrat akan memudahkan metode perendaman untuk modifikasi surface sensitizer. Pemisahan bentuk semikonduktor bersubstrat dari larutan sensitizer lebih mudah dilakukan daripada bentuk powder.

4 4 Penggunaan surfaktan dalam penempelan lapis tipis semikonduktor pada substrat terbukti telah sangat membantu terjadinya proses tersebut. Konsentrasi surfaktan merupakan salah satu faktor penentu struktur lapis tipis yang terbentuk. Faktor lain yang dapat menentukan struktur lapis tipis khususnya ketebalan lapisan yang terbentuk adalah waktu kontak antara substrat dan larutan sintesis. Adanya interaksi hidrofobik, gaya elektrostatik antara ion pair dan gaya antar dipole antara surfaktan dan permukaan substrat yang secara elektrik bersifat konduktif akan menyebabkan orientasi head - to - head dan tail - to - tail surfaktan sepanjang sumbu simetri substrat. Surfaktan yang telah digunakan pada penelitian terdahulu adalah CTACl dan CTABr. Penambahan senyawa kompleks sensitiser dapat mememperlebar kisaran panjang gelombang visibel dari bahan semikonduktor. Peneliti terdahulu mensintesis kompleks sensitiser dengan menggunakan logam logam yang memiliki densitas elektron berlebih yang disebabkan oleh tambahan densitas elektron dari ligan secara ikatan σ serta logam yang memiliki tingkat oksidasi dan elektronegativitas rendah seperti Os(II), Cu(I), Re(I), Pt(II), Fe(II), dan Ir(III) (Whittle, 2001 dan Islam, 2001). Kompleks ion logam tersebut dengan ligan ligan polipiridin maupun turunan piridin kemungkinan besar dapat menghasilkan sifat elektrokimia dan fotoelektrokimia serta intensitas MLCT pada daerah visibel yang baik. Hal ini akan diketahui dari spektrum IR dan UV-Vis. Sifat kristalinitas dan sistem kristal semikonduktor hasil sintesis dapat dilihat dari hasil X-ray Diffraction, sementara morfologi lapis tipis TiO 2 yang terbentuk dapat diketahui dari mikroskop optik, sifat fotoelektrokimia yang meliputi %IPCE dan stabilitas fotokimia serta karakteristik Arus-Voltase diketahui dari uji fotoelektrokimia. 2. Batasan Masalah a. Semikonduktor lapis tipis disintesis menggunakan bahan TiO 2 dan grafit dengan surfaktan CTABr sebagai penghubung antarmuka grafit dan TiO 2. b. Semikonduktor lapis tipis grafit/tio 2 dimodifikasi dengan bahan sensitizer senyawa kompleks Mn(bpy) 2 Cl 2.

5 5 c. Semikonduktor lapis tipis grafit/tio 2 dan hasil modifikasinya dikarakterisasi dari morfologi lapis tipis TiO 2, perubahan respon panjang gelombang (λ), kristalinitas TiO 2 dan sifat fotoelektrokimia. 3. Rumusan Masalah a. Bagaimanakah sintesis semikonduktor grafit/tio 2 menggunakan CTABr sebagai penghubung antarmuka grafit dan larutan sintesis? b. Bagaimanakah sifat sifat semikonduktor grafit/tio 2 yang meliputi morfologi, respon kisaran panjang gelombang sinar pada daerah UV sampai Visibel, serta sifat fotoelektrokimianya (meliputi stabilitas fotoelektrokimia dan efisiensi konversi induksi foton ke arus listrik, %IPCE, serta karakteristik Arus-Voltase, kurva I-V)? c. Bagaimanakah modifikasi semikonduktor grafit/tio 2 secara surface sensitization dengan senyawa kompleks Mn? d. Bagaimanakah pengaruh modifikasi semikonduktor terhadap sifat sifat yang dimiliki oleh semikonduktor grafit/tio 2? C. Tujuan dan Manfaat 1. Tujuan a. Mensintesis semikonduktor grafit/tio 2 menggunakan CTABr sebagai penghubung antarmuka grafit dan larutan sintesis b. Mempelajari sifat sifat semikonduktor grafit/tio 2 yang meliputi morfologi, respon kisaran panjang gelombang sinar pada daerah UV sampai Visibel, serta sifat fotoelektrokimianya (meliputi stabilitas fotokimia dan efisiensi konversi induksi foton ke arus listrik, %IPCE ). c. Melakukan modifikasi secara surface sensitization dengan senyawa kompleks Mn. e. Mempelajari pengaruh modifikasi semikonduktor terhadap sifat sifat yang dimiliki oleh semikonduktor grafit/tio 2.

6 6 2. Manfaat a. Memberikan informasi mengenai sintesis semikonduktor lapis tipis dengan substrat grafit yang sangat mudah dihandle dan dapat dipakai lebih dari satu kali. b. Memberikan sumbangan informasi tentang modifikasi semikonduktor lapis tipis bersubstrat dengan sifat yang lebih baik dengan merubah keadaan elektroniknya ke daerah visibel sehingga dapat diaplikasikan sebagai bahan fotokatalisator yang efektif.